A1 – Dynamik laminar-turbulenter Windfelder und ihre Wechselwirkung mit Windenergieanlagen als Offshore-Megastrukturen

Bis zu einer Höhe von wenigen 100 m, in der aktuelle Windenergieanlagen arbeiten, ist die atmosphärische Strömung typischerweise turbulent. Mit zunehmendem Bedarf werden die Anlagen jedoch in Durchmesser und Höhe immer größer. Zukünftige Windenergieanlagen als Offshore-Megastrukturen werden dagegen Nabenhöhen um 150 m und Rotordurchmesser jenseits der 300 m erreichen, und dadurch in größeren Höhen arbeiten als bisher. In diesen Höhen ist der Wind häufig deutlich weniger turbulent als in niedrigeren Bereichen. Gemeinsam mit den dort üblichen höheren Windgeschwindigkeiten macht dies diese Höhen sehr attraktiv für die Windenergienutzung. Die Kombination aus turbulenter und nicht-turbulenter Strömung ist jedoch als Einströmbedingung für Windenergieanlagen bisher nahezu unerforscht. Daher ist es von großer Bedeutung, diese neuen Strömungsbedingungen und ihre Auswirkungen auf Lasten und Nachlaufströmung einer Windenergieanlage zu untersuchen, um die optimale Auslegung und Regelung von Windenergieanlagen als Offshore-Megastrukturen zu ermöglichen.

Am Übergang zwischen turbulentem und nicht-turbulentem Strömungsbereich wird der Wind quasi-laminar und bildet eine turbulent-nicht-turbulente Grenzschicht (turbulent-non turbulent interface, TNTI). Diese Grenzschicht ist in der Atmosphäre bisher wenig untersucht. In der ersten Förderphase wurden frei verfügbare Daten analysiert, wobei die fraktalen Eigenschschaften des TNTI gezeigt werden konnten [1]. Mit Hilfe dieser Ergebnisse konnte ein spezialisiertes halbes aktives Gitter entworfen und realisiert werden, welches die Reproduktion des fraktalen TNTI im Labor ermöglichte.

In der zweiten Förderperiode soll zunächst die Dynamik des TNTI und seine Abhängigkeit von verschiedenen Einströmungsbedingungen möglichst vollständig untersucht und beschrieben werden. Darauf aufbauend sollen die Auswirkungen dieser laminar-turbulenten Einströmung auf die Nachlaufströumng und die Lasten einer Windenergieanlage erforschtwerden, welche einer solchen Einströmung ausgesetzt ist. Zu diesem Zweck wird ein TNTI im Labor unter Verwendung des halben aktiven Gitters reproduziert. Hitzdrahtmessungen swerden eingesetzt, um eine volle Charakterisierung der Dynamik des TNTI zu erreichen, wobei der Fokus auf der vertikalen Richtung liegt. Der Nachlauf hinter einer einzelnen Modellanlage wird sowohl mit Hitzdrähten als auch mit Particle Image Velocimetry (PIV) untersucht, und zusätzlich werden die Lasten der Anlage gemessen. Ein Verbund aus zwei neu entwickelten Modellanlagen wird ebenso eingesetzt, wobei Nachlauf und Lasten der zweiten Anlage vermessen werden, um so die Auswirkungen des TNTI möglichst vollständig zu erfassen. Dies wird von besonderem Nutzen für das Verständnis der Effekte innerhalb von Windparks sein. Zusätzlich zu den experimentellen Untersuchungen ist ein weiteres Ziel dieses Teilprojekts, realistische Windfelder für den digitalen Zwilling bereit zu stellen, welche die besonderen laminar-turbulenten Windbedingungen berücksichtigen.

Das verbesserte Verständnis der Auswirkungen des TNTI auf Nachlauf und Lasten an stromauf liegenden Anlagen (z.B. in der ersten Reihe eines Windparks) und auf eine zweite Modellanlage (z.B. in der zweiten Reihe eines Windparks) soll eingesetzt werden, um sowohl die Entwurfsbedingungen zukünftiger Windenergianlagen als Offshore-Megastrukturen weiter zu entwickeln, als auch perspektivisch die Effizienz von Windpark-Regelungen zu verbessern, um den Energieertrag zu steigern und die Lasten zu reduzieren.

[1] Neuhaus, L., Wächter, M., and Peinke, J.: The fractal turbulent–non-turbulent interface in the atmosphere, Wind Energ. Sci., 9, 439–452, doi.org/10.5194/wes-9-439-2024, 2024.